混合器對國六柴油機選擇性催化還原系統尿素結晶的影響

李江飛，牛雨飛,朱海艷，王龍飛，薛紅娟，張 強

(1.無錫億利環保科技有限公司，無錫 214000；2.河北億利科技股份有限公司，邢臺 054800；3.一汽解放大連柴油機有限公司，大連 116600；4.山東大學 能源與動力工程學院，濟南 250061)

0 概述

中國已連續十年成為世界機動車產銷第一大國，柴油機因轉矩大、熱效率高、油耗低等優點成為運輸業的主要動力源，也成為大氣污染的重要來源[1]。選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術是降低柴油車尾氣中NOx排放的主要技術[2-4]，即在催化劑的作用下，通過尿素噴射系統向SCR上游噴入質量分數為32.5%的車用尿素水溶液，把尾氣中NOx還原成N2和H2O。國六柴油機后處理總成如圖1所示，發動機尾氣從入口進入，經柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、柴油顆粒捕集器(diesel particulate filters，DPF)后進入混合器，在混合器中與尿素噴霧混合，進入SCR系統內，最后通過出口排出凈化后的尾氣[5-7]。其中，DOC通過氧化反應降低尾氣中的HC、CO等，DPF主要作用為降低尾氣中的顆粒物(particulate matter，PM)排放，SCR通過還原反應降低尾氣中的NOx排放，氨進逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)主要作用為捕捉多余的NH3。

圖1 國六后處理總成示意圖

排放法規的升級對SCR性能提出新的挑戰。國六排放標準要求SCR系統具有更高的NOx轉化率，尿素噴射量更大，如果混合器結構設計不合理易發生尿素結晶、氨泄漏、可靠性降低等問題，嚴重者會堵塞排氣管路，嚴重影響整車動力性及經濟性[8-12]，但目前關于國六柴油機SCR尿素結晶問題的研究卻鮮有報道。

針對國六柴油機SCR尿素結晶問題，本文中設計了兩種不同的混合器結構，采用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)方法對不同混合器方案進行了仿真分析和對比，并進行了排放和結晶試驗驗證，為國六柴油機SCR混合器的設計提供參考。

1 混合器方案

方案一混合器如圖2所示。尾氣從入口進入混合器，尿素水溶液在初始噴射速度作用下與導流板1、導流板2碰撞，尾氣通過導流板2和導流板3后形成旋流，以螺旋軌跡從出口流出，在旋流的過程中尾氣和尿素蒸發出的氨氣(NH3)充分混合，提高氨氣在SCR中的均勻性。

圖2 方案一混合器示意圖

方案二混合器如圖3所示。尾氣從前擋板下方兩側的入口進入混合器，自圓管兩側匯集到圓管中，尿素水溶液在初始速度和尾氣共同作用下與擋板1、擋板2、擋板3碰撞破碎，流向內殼體下側的W形板后形成旋流，尾氣和尿素蒸發出的氨氣充分混合，有利于提高氨氣在SCR中的均勻性。

圖3 方案二混合器示意圖

2 CFD分析

2.1 CFD物理模型

采用STAR-CD軟件進行CFD仿真分析，CFD物理模型中不考慮載體表面化學反應，采用熔融尿素分解機理，氣體選擇為黏性可壓縮氣體，計算過程為穩態定常流，流動模型選用Realizablek-ε湍流模型，載體處為多孔介質模型，其壓力損失按照Darcy[13-15]定律計算，噴霧采用Lagrangian多相流模型。液滴碰撞選擇Bai-Gosman Wall Impingment模型[16]，液滴破碎選擇Reitz-Diwakar Breakup模型，同時選擇液滴蒸發模型。

2.2 CFD網格劃分

采用多面體方式劃分CFD網格。網格基本尺寸為8.0 mm，為保證計算精度，靠近擋板和導流板的區域網格尺寸細化為1.5 mm。邊界層設置為8層，第1層網格高度設置為0.02 mm，邊界層總厚度為1.15 mm。載體采用拉伸的方式劃分網格，靠近載體端面的區域網格密集，遠離載體端面的區域網格稀疏。混合器CFD網格如圖4所示。

圖4 混合器CFD網格

2.3 CFD分析工況

氣體溫度越低，氣體流速越小，混合器的結晶風險越大，因此采用“過量能量系數”方法[17]從臺架試驗中選取工況進行CFD分析。過量能量系數是發動機尾氣總能量與尿素實際從尾氣中獲得的能量的比值，如式(1)所示。

E=Q1/(Q2+Q3)

(1)

式中，E為過量能量系數；Q1為發動機尾氣能量；Q2為加熱尿素的能量；Q3為尿素的蒸發潛熱。

分別選取標定工況、結晶臺架試驗中過量能量系數E最小的工況進行CFD分析，如表1所示。

表1 CFD分析工況

3 發動機臺架試驗

3.1 臺架布置

發動機試驗臺架如圖5所示，主要包括發動機、后處理總成、交流電力測功機、燃油消耗儀等，發動機參數如表2所示。

圖5 臺架試驗

表2 發動機參數

3.2 排放試驗

按照GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》進行發動機臺架污染物排放試驗，分別測試了標定工況、世界統一穩態循環(world harmonised steady state cycle，WHSC)、世界統一瞬態循環(world harmonised transient cycle，WHTC)的NOx排放值。

3.3 結晶試驗

按照HJ 689—2014《城市車輛用柴油發動機排氣污染物排放限值及測量方法(WHTC工況法)》規定的WHTC試驗循環，選取WHTC循環第311 s至710 s編制WHTC市區工況進行尿素結晶試驗，單次循環時間400 s，重復運行270次，累積運行時間30 h，若試驗結束后結晶質量不高于30 g，則滿足主機廠要求。尿素噴射系統采用博世DeNOx2.2，具體參數見表3，噴射示意圖如圖6所示。

圖6 DeNOx 2.2尿素噴射示意圖

4 CFD分析和試驗結果

4.1 CFD結果

SCR載體前端面的流速均勻性、NH3均勻性是評估性能的重要指標。若流速分布不均，會造成催化劑局部老化，降低使用壽命；若NH3分布不均，則會降低載體的NOx轉化效率。一般用均勻性指數[18]評價其均勻性程度，流速均勻性指數Uflow的計算公式如下：

(2)

式中，n為截面上單元網格總數量；vi為截面上第i個單元網格的氣體流速；vm為截面上氣體平均流速；Ai為截面上第i個單元網格的面積；A為截面上網格總面積。

NH3均勻性指數UNH3的計算公式如下：

(3)

式中，φi為截面上第i個單元網格上的NH3的質量分數;φm為截面上NH3質量分數平均值。

標定工況方案一和方案二的SCR載體流速分布和NH3質量分數分布如圖7所示，SCR載體流速、NH3均勻性指數結果如表4所示。方案二的流速均勻性和NH3均勻性優于方案一，有利于提高SCR載體的NOx轉化效率和使用壽命。

圖7 標定工況載體流速分布、NH3分布

表4 標定工況SCR流速、NH3均勻性指數

標定工況方案一和方案二的混合器壓力分布如圖8所示。方案一混合器的壓力損失為3.8 kPa，方案二混合器的壓力損失為10.5 kPa，方案二的壓力損失比方案一大6.7 kPa，這是由于方案二尾氣經過圓管后流速急劇增大，導致壓力損失增大。

圖8 標定工況混合器壓力分布

結晶工況方案一和方案二的SCR載體流速分布和NH3質量分數分布如圖9所示，SCR載體的流速均勻性、NH3均勻性結果如表5所示。方案二的流速均勻性和NH3均勻性優于方案一，有利于提高SCR載體的NOx轉化效率和使用壽命。

圖9 結晶工況載體流速分布、NH3分布

表5 結晶工況SCR流速、NH3均勻性指數

結晶工況方案一和方案二的混合器尿素軌跡和碰壁質量分布如圖10所示，混合器尿素碰壁質量結果如表6所示。從圖中可以看出：方案一中直徑較大的尿素液滴主要碰撞堆積在導流板1、導流板2的表面，其碰壁質量占尿素噴射總量的63.1%，而直徑較小的尿素液滴沿混合器螺旋流出；方案二中直徑較大的尿素液滴主要碰撞堆積在圓管、擋板1、擋板2、擋板3和內殼體的表面，其碰壁質量占尿素噴射總量的86.4%，直徑較小的尿素液滴從圓管出口流出后旋轉進入SCR系統，尿素液滴蒸發形成NH3，在圓管中尿素液滴和尾氣充分混合，有助于提高NH3均勻性。

表6 結晶工況尿素碰壁質量分布

圖10 結晶工況尿素液滴軌跡和碰壁質量分布

結晶工況方案一和方案二的混合器截面流速矢量圖如圖11所示。從圖中可以看出方案一中導流板1、導流板2的表面流速較低，尿素液滴碰撞堆積的區域流速在10 m/s以下，尿素液滴難以被吹散，

圖11 結晶工況方案一和方案二截面流速矢量圖

尿素的堆積同時也會降低此區域的溫度，容易產生尿素結晶；方案二的圓管、擋板1、擋板2和擋板3的表面流速較高，尿素液滴碰撞堆積的區域流速均在30 m/s以上，能夠提高尿素液滴的碰撞速度，實現尿素液滴的二次破碎，有助于吹散尿素液滴，同時也會提高碰撞堆積區域的溫度，降低尿素結晶風險。

4.2 試驗結果

標定工況方案一和方案二的混合器壓力損失和NOx轉化效率如表7所示。標定工況下方案二的NOx轉化效率比方案一略有提高，通過CFD分析結果可知這是由于方案二的NH3均勻性指數比方案一高，從而提高了NOx的轉化效率，同時方案二的壓力損失比方案一高6.6 kPa。

表7 標定工況的壓力損失和NOx轉化效率

WHSC和WHTC工況方案一和方案二的NOx排放值如表8所示，WHSC和WHTC工況下兩個方案的NOx排放均滿足國六標準，且方案二的NOx排放均低于方案一。

表8 WHSC和WHTC工況NOx排放值

方案一和方案二的結晶試驗結果如圖12所示。用電子天平稱量，方案一15 h后結晶質量107 g，30 h后結晶物質量608 g，尿素結晶主要從導流板1、導流板2的尿素碰撞堆積位置產生，方案一混合器不滿足主機廠結晶質量不高于30 g的要求。方案二30 h后結晶物質量6 g，結晶位置出現在擋板1、擋板2和擋板3表面，方案二混合器滿足主機廠結晶質量不高于30 g要求。

圖12 方案一和方案二結晶試驗尿素結晶分布

4.3 CFD和試驗對比

標定工況混合器壓力損失CFD分析和試驗對比如表9所示。標定工況混合器壓力損失CFD和試驗偏差均在10%以內，表明CFD仿真是合理有效的。

表9 標定工況CFD與試驗混合器壓力損失對比

標定工況UNH3和NOx轉化效率對比如表10所示。從表中可以看出，NOx轉化效率隨UNH3提高而提高。

表10 標定工況CFD分析UNH3和試驗NOx轉化效率對比

結晶工況UNH3和NOx排放值對比如表11所示。從表中可以看出NOx排放值隨UNH3提高而降低。

通過對比圖10和圖12可以看出，方案一的CFD分析結果顯示尿素碰壁量最大位置位于導流板1和導流板2，試驗結果尿素結晶位置同樣位于導流板1和導流板2，方案二的CFD分析結果顯示尿素碰壁量最大位置位于擋板1，試驗結果尿素結晶位置同樣位于擋板1，說明CFD分析和試驗結果基本一致。

5 結論

(1)方案二混合器中尿素碰壁位置的橫截面和縱截面氣流速度遠高于方案一，有助于尿素液滴破碎和吹散尿素液滴，減小尿素結晶風險。方案二SCR載體的流速均勻性、NH3均勻性優于方案一，有助于提高載體壽命和NOx轉化效率。方案二混合器的壓力損失大于方案一。

(2)方案一混合器的尿素結晶質量為608 g，不滿足主機廠要求；方案二混合器的尿素結晶質量為6 g，滿足主機廠要求。

(3)混合器壓力損失的CFD分析和試驗結果一致，標定工況時SCR的NOx轉化效率隨CFD分析NH3均勻性提高而提高，瞬態工況(WHTC)時SCR的NOx排放值隨CFD分析NH3均勻性提高而降低，表明CFD分析是合理有效的。